Стабильность межфазных границ композиционных материалов системы Ni-AL

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................. 4
I. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ И НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 9
1.1 Композиционные материалы......................................... 9
1.1.1 Свойства композиционных материалов............................. 10
1.1.2 Методы получения композиционных материалов..................... 13
1.1.3 Наноматериалы и методы получения наноматериалов................ 15
1.1.4 Нанокомпозиционныс материалы................................... 18
1.2 Диффузия.............................................................. 20
1.3 Применение теоретических методов и методов компьютерного моделирова-ния
для описания характеристик и свойств композиционных материалов............ 32
1.4 Постановка задачи исследования........................................ 38
II. МОДЕЛЬ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА..................................... 40
2.1 Описание модели....................................................... 40
2.2 Визуализаторы......................................................... 49
2.3 Параметры диффузии основных компонентов, составляющих исследуемую композиционную структуру.................................................. 59
III. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОСТОЯЩИХ ИЗ МАТРИЦЫ М3А1 И №-ЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ,
N4 и ВКЛЮЧЕНИЙ 1%А1....................................................... 70
3.1 Композиционные структуры, состоящие из матрицы Ы13А1 и N1 - ых
включений............................................................ 71
3.1.1 Армирующие прослойки в №3А1 на основе цепочек из атомов №...... 71
3.1.2 Включение рядов N1 в направлении <110>......................... 77
3.1.3 Сетчатая упаковка N1 - ых рядов в матрице иитсрмсталлида Ы13А1. 80
3.1.4 Слоистая упаковка композиционного материала.................... 84
3.1.5 Композиционный материал, состоящий из матрицы М13А1 и № -ой прослойки в
виде ромба............................................... 85
3.2 Исследование стабильности композитов, состоящих из М -ой матрицы и включений иитерметаллида 1чт13А1..................................... 88
3.2.1 Включение рядов атомов иитерметаллида М13А1 в № -ую матрицу в направлении < 112>................................................... 89
3.2.2 Включение рядов атомов иитерметаллида Ы13А1 в N1 -ую матрицу в направлении <110>.................................................... 95
3.2.3 Композит, состоящий из пересечения фаз №3А1 в № -ой матрице.... 98
3.2.4 Материал, состоящий из матрицы № и Ы13А1-ой прослойки в виде ромба.... 103
3
3.3 Влияние точечных дефектов на стабильность межфазиой границы в композите Ni- 108 NijAl.
3.4 Общий анализ оценки стабильности исследуемых композитов................. 111
IV. КОМПОЗИТ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОЙ МАТРИЦЫ и ПЛАСТИФИЦИРУЮЩИХ ПРОСЛОЕК............................................. 114
4.1 Композит, состоящий из Ni - ой матрицы и А1 - ых включений........ 114
4.1.1 Включение рядов А1 в направлении <110>.......................... 114
4.1.2 Включение рядов А1 в направлении <112>................................ 122
4.1.3 Слоистая упаковка, представляющая собой укладку в Ni -ой матрице трех рядов атомов................................................................ 130
4.1.4 Пример сетчатой упаковки металлического композита..................... 132
4.1.5 Композиционный материал, состоящий из Ni-матрицы и включений типа ромба 135 из атомов А1..........................................................
4.2. Композиционные структуры, состоящие из матрицы Ni3Al и включений А1 138
4.2.1 Включение рядов А1 в направлении <110>................................ 138
4.2.2 А1 -ые слои в направлении <112>....................................... 151
4.2.3 Слоистые симметричные упаковки рядов атомов А1 ориентации <110>. 158
4.2.4 Пример сетчатой упаковки металлического композита............... 159
4.2.5 Ромб из атомов А1 в матрице иитерметаллида Ni3Al...................... 162
4.3 Общий анализ оценки стабильности исследуемых в главе композитов 163
V. КОМПОЗИТ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ ПЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЫ и
ВЫСОКОПРОЧНЫХ ПРОСЛОЕК...................................................... 164
5.1. Композит, состоящий из А1 -ой матрицы и Ni - ых включений.............. 164
5.1.1 Включение рядов Ni в направлении <110>................................ 164
5.1.2 Композит, состоящий из Al-ой матрицы и Ni-ых рядов в иаправлении<112> 172
5.1.3 Композит, состоящий из Al-ой матрицы и Ni -ых включений типа ромба.... 176
5.1.4 Сетчатая упаковка композита........................................... 177
5.2 Композит, состоящий из А1 -ой матрицы и Ni3Al - ых включений............ 178
5.2.1 Включение рядов Ni3Al в направлении <110>............................. 178
5.2.2 Включение рядов Ni3Al в направлении <112>....................... 183
5.2.3 Композиционный материал из матрицы А1 и прослойки Ni3Al в виде ромба 187
5.2.4 Пример сетчатой упаковки кристалла композита.................... 188
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................. 189
ЛИТЕРАТУРА.................................................................. 191
ВВЕДЕНИЕ
Как правило, новые материалы появляются в результате естественного стремления проектировщиков улучшить характеристики эксплуатируемых конструкций, а будучи освоенными, они открывают новые возможности для разработки принципиально новых конструкций и технологических процессов.
Среди новых материалов особое место занимают композиционные материалы, обладающие целым комплексом различных свойств, рациональное сочетание которых позволяет получать оптимальные конструкции. Под композиционными материалами понимают многофазные материалы, состоящие из двух или большего числа компонентов. Компоненты их сохраняют свою индивидуальность, между компонентами существуют границы раздела. Особенностью композиционных материалов является то, что они обладают возможностью объединения полезных свойств отдельных компонентов и в тоже время проявляют новые свойства, отличные от свойств компонентов. Сочетание высоких прочностных свойств и минимального удельного веса обуславливает широкое применение композиционных материалов. Подбором соответствующих условий нагрева, термообработки, отжига можно регулировать изменения структуры и свойств композиционных материалов в широких пределах. Свойства таких материалов во многом зависят от структуры и стабильности межфазной границы, как важной составляющей такой системы. Структура межфазной границы может меняться при внешнем воздействии, в частности в различных видах деформации. Наиболее динамично структура межфазной границы может меняться в процессе различного типа термоактивируемого воздействия, в таких случаях основным элементом перестройки границ является диффузия, изучение процессов которой на микроскопическом уровне, связано в первую очередь со сложностью проведения соответствующих экспериментов. Реальные эксперименты позволяют изучать диффузию в композиционных материалах, как правило, по
начальным и конечным состояниям структуры, что дает лишь косвенное представление о тех или иных механизмах диффузии. В связи с этим возникает необходимость построения теоретических моделей композиционных материалов, которые позволили бы определить не только осредненные характеристики, но и описать локальную структуру процессов, происходящих в таких средах под действием связанных полей.
Для детального и более наглядного изучения механизмов диффузии в настоящее время все более интенсивно применяются методы компьютерного моделирования, позволяющие отслеживать траектории смещений атомов и получать подробные картины реализации в динамике отдельно взятых диффузионных механизмов. Данный метод является дополнением к известным экспериментальным и теоретическим методам исследования, зачастую выступая в роли связующего звена между ними. Компьютерная модель может служить как средством апробации теоретических представлений, так и, наоборот, объяснять или прогнозировать явления, ранее не освещенные теорией и экспериментом в полной мере.
Таким образом, представляется актуальным исследование на микроскопическом атомном уровне стабильности межфазных границ композиционных материалов и нанокомпозиционных материалов методом компьютерного моделирования для анализа и подтверждения теории и реальных экспериментов в физике конденсированного состояния.
Целью работы является исследование стабильности на атомном уровне межфазных границ в металлических композиционных материалах с помощью метода молекулярной динамики.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе диссертации рассмотрены композиционные материалы, дана их классификация, описаны физические и физико-механические свойства композиционных материалов, проведен обзор методов получения композиционных материалов, а также дана характеристика
нанокомпозиционных материалов. Рассмотрены физические основы диффузии и адгезии композиционных материалов. Далее в первой главе описаны теоретические методы и методы компьютерного моделирования, применяемые для описания характеристик и свойств композиционных материалов. В конце первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена описанию модели компьютерного эксперимента, используемой для исследования стабильности межфазных границ в композиционных материалах двумерной системы №-А1, методом молекулярной динамики. В начале главы излагается суть и основные ограничения модели. Далее в главе рассмотрены: процедура построения исследуемых расчетных блоков, процедура релаксации и процедура импульсного разогрева. В заключительной части второй главы приводится описание основных визуализаторов структуры, используемых при исследовании стабильности межфазных границ при импульсном разогреве, и тестирование начальных температур диффузионных процессов в чистых металлах Иі, А1 и интерметаллиде Мі3А1 без дефектов и с наличием точечных дефектов (вакансии, межузельного атома).
В третьей главе приводятся результаты исследований с помощью метода молекулярной динамики температурных интервалов стабильности межфазных границ двумерных металлических композитов, состоящих из интерметаллида Мі3А1 и чистого №, либо из чистого N1 и интерметаллида №*А1 с различными схемами армирования в зависимости от структуры композита, температуры импульсного разогрева и времени компьютерного эксперимента. Исследованы основные факторы разрушения межфазных границ: разупорядочение,
образование элементов, которые можно отнести к сегрегациям новых фаз, миграция межфазных границ. Выявлена роль различных типов дефектов на процессы диффузии и стабильности межфазных границ.
В четвертой главе приводятся результаты компьютерного моделирования исследования стабильности межфазных границ композиционных материалов,
составленных из блоков жаропрочной матрицы чистого N1 и интерметаллида №зА1. В качестве пластифицирующей прослойки композита выступает А1.
В пятой главе диссертации проводилось исследование процессов стабильности межфазных границ композиционных материалов, которые составлялись из блоков пластичной матрицы А1, в качестве армирующих элементов выступают высокопрочные прослойки N1 и №зА1.
Научная новизна заключается в том, что методом молекулярной динамики исследована стабильность межфазных границ нанокристаллических композиционных материалов системы №-А1. Выявлены факторы, которые могут вызвать изменение температуры начала диффузионных процессов в этих материалах. Это, прежде всего, различие в эффективных размерах атомов N4 и А1, а, следовательно, в параметрах решетки №, №зА1, А1, возрастание с температурой различия в коэффициентах температурного расширения данных материалов, наличие локальных упругих напряжений на границе раздела фаз.
Показано, что механизмы диффузии и характер разрушения межфазной границы зависят от структуры и формы включений в матрицу. Установлено, что точечные дефекты значительно снижают предельную температуру диффузионной стабильности исследуемых композиционных материалов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для развития теории диффузии и процессов с ней связанных, для создания математических моделей диффузионных процессов, учитывающих вклад обнаруженных в настоящей работе механизмов диффузии, возникающих в композиционных и нанокомпозиционных материалах.
Результаты настоящего моделирования могут быть полезны при конструировании новых материалов и оптимизации их свойств, так как исследования на микроуровне позволяют дополнять и корректировать макроскопические модели. Кроме того, результаты компьютерного моделирования могут быть использованы практиками - материаловедами для
изучения свойств композиционных материалов системы Ї4І-А1 с различными схемами армирования.
На защит)' выносятся следующие положения:
1. В связи с различием параметра решеток компонент, формирующих композит, вследствие теплового расширения, на границах фаз возникают напряжения.
2. Температура, при которой начинается диффузионная перестройка композита, возрастает при увеличении локальной плотности вещества, и понижается при уменьшении, что связано с различием параметра решеток, вследствие расширения, вызываемого термоактивируемой деформацией системы, вблизи межфазной границы.
3. Преобладающими механизмами диффузии в композиционном материале Пі-ИізА1, МізА1-№ являются кольцевые, смещения атомов по краудионному механизму и механизм образования пар Френкеля, который начинает проявляться только при температурах, близких к температуре плавления. В композиционном материале Ї4І-А1, ИізАІ-АІ преобладают кольцевые механизмы диффузии, смещения атомов по краудионному механизму. При повышении температуры, а также с увеличением числа атомов А1 в прослойках, наблюдается миграции атомов вблизи ядер дислокаций несоответствия. В композитах системы А1-№, А1-ї4і3А1 преобладают дислокации несоответствия вблизи межфазной границы, вызывающие структурную перестройку системы.
4. При наличии свободного объема, к перечисленным выше механизмам добавляется вакансионный, который значительно снижает предельную температуру диффузионной стабильности исследуемых композиционных материалов.
I. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ И НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛАХ
1.1 Композиционные материалы
Развитие современной техники ставит все новые и новые задачи перед наукой о материалах, как результат исследования в различных областях естественных наук. В свою очередь технический прогресс предъявляет все новые требования с одной стороны к разработке конструкционных материалов, а с другой, в значительной степени, обуславливается результатами достижений в этом направлении науки. В последние годы, в короткие сроки, были получены совершенно новые материалы с заранее заданными свойствами, разработана технология их производства и методы расчета. Современная наука о таких материалах представляется чрезвычайно разветвленной и далекой от своего завершения [1].
Сочетание высоких прочностных свойств и минимального удельного веса обуславливает широкое применение композиционных материалов. В работах [1-4] оцениваются перспективы применения композиционных материалов в автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении, судостроении, в авиационной и ракетно-космической технике.
В настоящее время к композиционным материалам могут быть отнесены любые гетерофазные системы, состоящие из двух или большего числа компонентов [5]. При этом предполагается, что компоненты сохраняют свою идеальность, нарушения свойств наблюдается по границам раздела между ними. Соотношения между весовыми составляющими в композите могут быть различными. Если один из компонентов заполняет связным образом пространство, то его называют матрицей или связующим. Компоненты,
занимающие изолированные области называются включениями или армирующими материалами [6].
Современное определение композиционных материалов предполагает выполнение следующих условий:
- композиция должна представлять собой сочетание хотя бы двух разнородных материалов с четкой границей раздела между фазами;
компоненты композиции образуют ее своим объемным сочетанием; композиция должна обладать свойствами, которых нет ни у одного из ее компонентов в отдельности.
Если размеры включений и расстояния между ними с одной стороны велики по сравнению с молекулярными, и с другой стороны малы по сравнению с характерными размерами материала, то такой композит однороден в макроскопическом масштабе, но неоднороден в микроскопическом масштабе.
1.1.1 Свойства композиционных материалов
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Важным преимуществом композиционного материала является его высокая прочность на единицу массы. При этом по своим прочностным и тепловым качествам многие композиционные материалы превосходят любой из своих компонентов или резко отличаются от него [7,8]. Армирующие элементы в виде тонких волокон, нитей, жгутов, или тканей обеспечивают, в частности высокую прочность и жесткость в направлении ориентации волокон, а связующее или матрица, обеспечивает монолитность композиционного материала [1]. Необходимо иметь в виду, однако, что наряду со многими технически важными преимуществами, композиционные материалы обладают и существенным недостатком, который связан с тем, что физико-механические и химические свойства компонентов композита зачастую оказываются совершенно несогласованными, а это иногда приводит к специальным видам разрушения (расслоение, местные разрывы, нарушение адгезии и т.п.) [9].
В работе [10] Кербер M.JI. существующие композиционные материалы делит на три основных класса, отличающиеся микроструктурой: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокном. Все эти материалы представляют собой матрицу из какого-либо вещества или сплава, в которой распределена вторая фаза - обычно более жесткая, чем матрица, которая служит для улучшения того или иного свойства. В основе разделения трех упомянутых классов композиционных материалов лежат особенности их структуры. Для дисперсно-упрочненных композиций характерной является микроструктура, когда в матрице равномерно распределены мельчайшие частицы размером от 0,01 до 0,1 мкм в количестве от 1 до 15 об.%. В композициях, упрочненных частицами, размер последних превышает 1 мкм, а содержание - 20-25 об.%. Для структуры армированно-упрочненных композитов характерна значительная анизодиаметричность армирующих волокон - их диаметр колеблется от долей микрона до десятков микрон, а длина - от микрон до непрерывных волокон практически неограниченной длины при содержании от нескольких процентов до 70-80 об.%. В последние годы появился еще один класс композиционных материалов - так называемые нанокомпозиты, структура которых характеризуется включением второй фазы с размерами несколько нанометров, содержание которой тоже достаточно невелико [11,12].
Существенное повышение некоторых характеристик, которое является важнейшим преимуществом композиционных материалов [12,13], на практике привело в настоящее время к относительно широкому применению лишь двух групп материалов на их основе: высокопрочных и жаростойких. Природа упрочняющего эффекта в композиционных материалах связана с использованием двух материалов с различными прочностью и модулем. Если говорить об упрочняющей роли компонентов композиционного материала, то в общем виде этот эффект следует связать с появлением в материале поверхности раздела фаз и пограничных слоев, примыкающих к ней. Именно более высокие
характеристики материала пограничных слоев обеспечивают рост прочностных показателей материала [14].
Другое важнейшее направление практического использования композиционных материалов - повышение жаропрочности, то есть способности сохранять высокий уровень механических характеристик при повышенных температурах. В этом случае основная опасность, определяющая возможность применения монолитных материалов, - разупрочнение при температурах, значительно уступающих абсолютным температурам плавления (для металлов), или размягчение при температурах, также существенно меньших температуры плавления. Все материалы такого рода могут быть упрочнены волокнами, однако для этого пригодны лишь такие виды волокон, температура плавления которых значительно выше температуры плавления матрицы. Однако и в этом случае далеко не всегда можно использовать комбинацию волокно-матрица. Для всех материалов, такого рода, необходимо учитывать способность к химическому взаимодействию при высоких температурах, величину деформации при разрушении каждого из компонентов, а также величину времени до разрушения или величину относительного удлинения при разрушении каждого из компонентов в процессе жаропрочных испытаний под нагрузкой [14].
В работе [14] подчеркивается, что для жаропрочных материалов в качестве волокон наибольший интерес представляют собой нитевидные кристаллы различного состава и поликристаллические керамические волокна. Наряду с ними широкое применение находят также металлические волокна (проволоки) из сплавов и благородных металлов.
Для композиционных материалов открываются широкие возможности варьирования их физико-механических свойств, а значит и оптимизации конструкций из композиционных материалов. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании
композитов, позволяют направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур, химическую стойкость и другие свойства [5].
1.1.2 Методы получения композиционных материалов
В зависимости от особенностей свойств матричных материалов разработано значительное число различных технологических приемов, позволяющих изготовить достаточно широкий круг изделий. Описание некоторых технологических приемов получения композиционных материалов приведено в [15-20].
К группе дисперсно-упрочненных композиций относятся главным образом материалы на основе металлических матриц. Наибольшее распространение для таких материалов получили методы порошковой металлургии, электрохимические, окислением или восстановлением, кристаллизацией из расплава. Для изготовления материалов на основе металлических матриц наиболее широкое распространение получили процессы пропитки (Си^, Мо-Си, Ni-Ag), предварительного компактирования смесей порошков с последующим твердофазным (Ag-гpaфит, Си-Ре) или жидкофазным (\V-Ni-Cu, \V-Ni-Fe, Т1-81С-№) спеканием[16].
В упрочненных частицами композиционных материалах, в связи с ростом поверхности раздела, в формировании прочностных свойств существенно возрастает роль межфазного взаимодействия. Основной эффект повышения прочности в этих композиционных материалах достигается в результате уменьшения способности к пластической деформации относительно более подвижной матрицы, при этом прочность возрастает с уменьшением доли матрицы.
Наиболее обширную и разнообразную по своему составу группу составляют композиционные материалы, армированные волокнами. К числу наиболее универсальных видов композиционных материалов следует отнести армированные волокнами металлы - они позволяют существенно повысить и прочность, и жаростойкость. Используемые для этих целей волокна в
значительной степени предопределяют возможные методы получения композиционных материалов и изделий из них: керамические волокна и волокна из окислов (усы окислов, боридов, карбидов, нитридов) из-за высокой хрупкости не допускают пластического деформирования матрицы, тогда как более пластичные волокна и усы из металлов допускают возможность переформирования заготовок. Из-за плохого смачивания металлами и с целыо уменьшения опасности преждевременного разрушения керамические волокна и усы иногда покрывают пленкой из металла (через расплав или из газовой фазы). Использование очень тонких волокон и усов позволяет достигать наиболее высоких показателей прочности композиционных материалов, однако необходимость предотвращения их разрушения на всех промежуточных стадиях и придания им ориентации создает очень большие трудности в технологическом плане [17].
Как правило, все процессы включают предварительное получение заготовок, которые потом превращаются в изделия или полуфабрикаты путем их опрессовки, прокатки, протяжки через фильеру, диффузионной сварки и др. К числу наиболее освоенных методов их получения относятся пропитка пучков волокон расплавами металлов, электроосаждение (или осаждение из паров), смешение с порошком металла (с последующим прессованием или спеканием).
Для получения слоистых заготовок иногда волокна (особенно непрерывные) наматывают на оправку, укладывают в специальные канавки в фольге, скрепляют летучим клеем - с последующей горячей прокаткой или прессованием. При этом удается достигнуть высоких значений прочности и работоспособности при повышенных температурах. В настоящее время описан [17] достаточно широкий круг таких материалов на алюминиевых, титановых, железных, нихромовых и других матрицах с использованием как металлических, так и оксидных армирующих волокон.
Вторым видом волокноупрочненных композиционных материалов с металлической матрицей являются направленно закристаллизованные
эвтектические сплавы. При охлаждении жидкостей определенного состава может идти кристаллизация с образованием двух фаз. Если при этом удается создать плоский фронт кристаллизации, то возникает упорядоченная ориентированная микроструктура. Практически это один из путей формирования нитевидных кристаллов (типа усов) непосредственно в матрице. Такие композиты получены, в частности, из меди и хрома, алюминия и никеля, меди и вольфрама. В последнем случае была достигнута прочность 175 кг/мм2. Металлографические исследования [12] показали, что процесс разрушения в таких композитах начинается с разрушения усов - это свидетельствует о высокой прочности связи на поверхности раздела.
К преимуществам таких композиционных материалов следует отнести простоту их изготовления - нет необходимости отдельного изготовления усов, исчезают трудности, связанные с их использованием. Высокие значения прочности связи на поверхности раздела, отсутствие окисных слоев обеспечивают высокую термическую устойчивость - возможность длительной работы при повышенных температурах. Однако для таких композиционных материалов характерно постоянство объемной доли эвтектической фазы, что делает невозможным воздействие на свойства путем изменения состава. Кроме того, для реализации плоского фронта кристаллизации необходимо использовать высокочистые вещества, так как примеси этому препятствуют.
Подробности таких процессов мало освещаются в научной и технической литературе, так как являются плодом длительных исследований и стоят очень дорого, обеспечивая прорыв в развитии наукоемких оборонных отраслей, таких, как аэрокосмическая, производство вооружений, средств обороны и защиты [16,17,19,20].
1.1.3 Наноматериалы и методы получения наноматериалов
Нанотехнологии - технологии, оперирующие величинами порядка нанометра, основанные на манипуляции отдельными атомами и молекулами с целью построения структуры с заранее заданными свойствами.
С помощью нанотехнологий, считают ученые [2,3,9,13] можно использовать скрытые резервы материалов повышая их показатели прочности, упругости, износостойкости и т. д.
Одна из самых перспективных областей нанотехнологий - создание наноструктурных материалов. К наноструктурным материалам относят кристаллические, со средним размером зерен или других структурных единиц менее 100 нм. В чистых металлах и ряде сплавов интенсивные деформации часто обеспечивают формирование ультрамелкозернистых структур с размером зерен 100-200 нм. Однако сформировавшиеся зерна имеют специфическую субструктуру, связанную с присутствием решеточных и зернограничных дислокаций и дискпинаций, с наличием больших упругих искажений кристаллической решетки. По указанным причинам области когерентного рассеивания обычно составляют менее 100 нм, что и определяет формирование наноструктурных состояний в таких материалах. «Известно и следующее. Если диапазон 1.0 - 0.1 мкм представляет собой сложный технологический барьер -поскольку требует смены технологического оборудования, то уже диапазон 0.1 - 0.05 мкм - это фундаментальный физический барьер, за которым резко меняются все физические свойства твердого тела» [12]. В работах [13,17,18,19] проанализированы основные особенности проявления размерных эффектов в нанокристаллических материалах. Обращено внимание на специфику этих объектов, изложены основные результаты исследований тепловых, механических, электрических и магнитных свойств.
Существуют две большие группы наноструктур:
двухмерные (плоскостные) наноструктуры. Работы [13,20] в этом направлении развивают физические представления о квантовой электронике и создают экспериментальную основу для изготовления приборов на полупроводниках нового поколения. Подобное относится и к мультинанослойным неколлииеарным сверхрешеткам, в которых обнаружено гигантское магнитосопротивление. Последний эффект открывает новые
подходы к использованию магниторезистивных свойств сверхрешеток в приборостроении. Конденсированные системы с периодическими структурными неоднородностями наномасштаба вызывают в настоящее время наибольший интерес. Это, прежде всего, полупроводниковые системы, которые могут явиться в перспективе основой принципиального уровня электроники -наноэлектроники;
трехмерные (объемные) наноструктуры. Работы [18,19] в этом направлении включают исследования наноструктурных металлов и сплавов, композитов, керамик, оксидов, боридов, наноразмерных порошков и других материалов. Эти системы в наноструктурном состоянии имеют уникальные свойства как конструкционные или функциональные материалы.
В качестве методов получения наноматериапов используется метод равноканального - углового прессования, который является одним из наиболее перспективных с точки зрения получения массивных наноструктурных образцов[ 19,20].
Плазхмохимический синтез как один из самых распространенных химических методов получения высокодисперсных порошков нитридов, карбидов, боридов, и оксидов описан в [20-24]. В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличения скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благодаря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновении. К плазмохимическому синтезу достаточно близко примыкает газофазный синтез с использованием лазерного нагрева реагирующей газовой смеси. Лазерный нагрев обеспечивает контролируемое гомогенное зародышеобразование и исключает возможность загрязнения. Размер нанокристаллических частиц уменьшается с ростом интенсивности лазерного излучения благодаря повышению температуры и скорости нагрева газов-реагентов. Авторы [24-27] получили этим методом из газовой смеси
сидана 81^ и аммиака N11* нитрид кремния 81зН|С размером частиц 10-20 нм. В целом плазмохимический синтез с разными способами создания плазмы -один из наиболее перспективных методов получения разнообразных наноструктурных материалов.
Обычный способ получения наночастиц с помощью коллоидных растворов заключается в их синтезе из исходных реагентов раствора и прерывании реакции в определенный момент времени [23,28-30], после чего дисперсная система переводится из жидкого коллоидного состояния в дисперсное твердое.
Получение высокодисперсных металлических порошков методом термического разложения различных солей подробно описано в [31].
1.1.4 Нанокомпозиционные материалы
Композиционные материалы, формирующиеся на наноструктурном уровне, могут обладать набором новых уникальных свойств, которые важны для их применения в различных наукоемких технологиях - как материалы микроэлектроники, материалы с определенным набором свойств, которые относят к направлению материалов с интеллигентными свойствами. Очевидно, что к подобного рода материалам следует относить любые гетерофазные системы, в том числе и такие, в которых в качестве вторых фаз и армирующих элементов могут выступать границы зерен, скопления дислокаций, дефекты упаковки, двойники, формируемые на атомном, либо субатомном уровне.
В работе [32] экспериментально изучены некоторые аспекты деформационного поведения наноструктурных материалов и сплавов. Согласно существующим модельным представлениям [33,34] в наноструктурных материалах затрудняются зарождение и движение дислокаций в теле зерен в результате пониженной активности источников дислокаций типа Франка-Рида. Вследствие этого возникают препятствия в релаксации упругих напряжений в образце при приложении нагрузки. Кратковременный отжиг наноструктурных образцов приводит к релаксации упругих напряжений в приграничных областях